蜂窝式刚性梁的数值计算及承载力特性研究

1、蜂窝式刚性梁的数值计算及承载力特性研究 陈健陵1陈勇军2(东方电气集团东方锅炉股份有限公司成都 611731)摘要: 本文通过PKPM和ANSYS软件对300MW的某锅炉刚性梁进行计算分析，揭示了在蜂窝式刚性梁设计中关于部分强度指标及稳定性指标需要特别注意的方面，并给出了较为实用计算公式，为更进一步进行蜂窝梁刚性梁的设计提供安全可靠的依据。关键词：蜂窝梁；稳定；强度指标THE NUMERICAL CALCULATION OF CASTELLATED BUCKSTAY OF BOILER AND THE CHARACTERISTIC RESEACHE OF ITS BEARING CAPACIT

2、YChen jianling1 Chen yongjun1（ Dongfang Boiler Group CO.,LTD,Zigong 643000,China）ABSTRACT: The paper calculates and analyzes a buckstay beam of 300MW boiler with ANSYS and PKPM soferware, deveales the indicatoers of the part strensth and stability of this beam and gives a more pracitcal formula. It

3、proveides the safe and reliable basis and referenc when designing castellated beame.Key words: castellated beame; stability; strensth前言蜂窝梁是一种由工字钢或H型钢切割后错位排列再焊接后制作成的构造梁，其截面特性介于实腹梁及桁架杆梁之间。蜂窝梁的截面高度 h与原梁截面高度 H之比称为扩张比。一般在 1.21.7之间 ,常用的扩张比为 1.5。由于扩张后增大了截面惯性矩和截面模量，提高了梁的刚度和承载能力，使梁可以应用于更大的跨度，承受更大的荷载。同时又减轻了结构

4、自重，节省大量钢材。随着弹性计算方法的日趋完善,近年来，随着计算机技术的发展。很多学者开始采用数值模拟与实验研究相结合的方法来深入研究蜂窝构件的受力性能。一些国家还将蜂窝梁设计纳入规范中,并在制作上朝定型化、 标准化方向发展。本文采用PKPM程序和ANSYS有限元分析软件对六边形孔蜂窝梁的力学性能开展研究，在对比计算的同时揭示了蜂窝梁的局部稳定性及应力集中现象。1.蜂窝梁的精确计算1.1. PKPM对蜂窝梁桥的分析目前主要有基于基本弯曲理论的算法，即假定蜂窝梁的结构性能实腹梁相同而不考虑开洞引起的局部弯曲分析应力和挠度，但此法误差很大。因此目前大多采用费氏空腹桁架法：所谓费氏空腹桁架法是将蜂窝

5、梁视为刚节点桁架,将蜂窝梁洞本文以某口间腹板看作桁架腹杆,上、下翼缘为弦杆。认为在外荷载作用下,蜂窝梁桥的中点和墩腰处均为反弯点,把多次超静定结构简化为静定结构来计算。PKPM中蜂窝梁工具箱的计算便是建立在此基础上。本文以某工程的炉侧的绕带式刚性梁为例，采用H446型钢切割后焊接而成，扩张比为1.5，跨度为7392mm，炉膛最大瞬态压强8.7kPa。运用PKPM对蜂窝梁进行计算校核.图1 蜂窝梁的截面参数输入及荷载工况定义图1为PKPM中蜂窝梁的建模与加载。计算采用炉膛压力与+地震的组合作用，此时刚性梁为压弯构件。程序采用费式空腹板梁法对构件进行校核验算。图2和图3分别是应力和刚度的检查结果图

6、。图2 蜂窝梁的强度应力及稳定性应力的规范验算结果图3是未改造为蜂窝梁前H446热轧H型钢梁在同样荷载工况下的规范验算结果。图3 未改造为蜂窝梁前H446梁的应力规范验算在实际的锅炉刚性梁设计中，由于校平装置的存在，可只计算刚性梁的强度值。从图上可以看出，稳定性应力和强度应力均比未切割成蜂窝梁前的H446梁提高了约10，计算书中蜂窝梁的挠度值为15.7mm，切割前的H446的在相应荷载工矿下的变形值可以通过-5ql4/384EIx计算为22.5mm，相对挠度提高23%左右。这对于受刚度控制的刚性梁性能提升较大。但同样从图中可以看出，剪切应力却比实腹梁减小了约20，这主要是由于蜂窝梁T形截面处的

7、腹板有效高度较小造成的，不过由于刚性梁的跨高比较大，主要以弯曲变形为主，剪切强度尚有较大裕度，因此该项指标的降低不影响蜂窝状刚性梁的推广运用。在PKPM输出的计算书中：孔桥部T形截面腹板计算高厚比 Ht/Tw：21.969 Ht/Tw=15.000从计算书可以看出，除了局部稳定性验算没有通过外，其他的计算参数都通过规范的检验，这个主要是因为蜂窝梁从热轧的H446梁切割扩高后，腹板太高导致高厚比无法满足造成的，这可以在杆件的受压翼缘构造局部加强肋来解决。1.2 .PKPM与ANSYS对蜂窝梁的对比分析 PKPM程序从宏观上对杆件截面最不利处的参数进行了计算，但蜂窝梁与一般实腹梁和桁架梁不同，还需

8、要对开孔削弱效应进行分析。因此，本文再采用大型通用有限元软件ANSYS对同等荷载工况下的应力分布进行仿真，以便清楚观察蜂窝梁的应力分布。图4是采用solid95实体单元划分的蜂窝梁刚性梁FEA模型，该有限元模型总计3302个单元。图4 采用SOLID95单元和SWEEP划分的FEA蜂窝梁模型图5 米赛斯屈服应力分布图图5 是基于弹性体弹性改变比能的第四强度准则米赛斯屈服应力云图。可以看出在弯曲变形最大的截面上sigmar=150N/mm2到190N/mm2，普通钢结构规范中厚度不大于16mm的Q345B钢的拉压应力的设计值为310N/mm2，因此ansys计算结果的应力比为0.483，PKPM

9、的计算结果为0.489。图6 横向剪切应力的应力分布最弱截面桥孔处剪切应力的分布云图，tuo=51N/mm2到83N/mm2。普钢规范中厚度不大于16的Q345B钢剪切强度设计值为180N/mm2，应力比约0.400，PKPM的计算结果为0.417。图7 简支蜂窝梁的变形分布ANSYS计算的刚性梁最大变形量为15.5mm，PKPM计算值为15.7mm，从以上应力和变形分布图可以看出ansys的应力计算结果变形计算结果PKPM的计算结果相当，但ANSYS计算结果中有一个地方非常值得注意，就是蜂窝孔拐角处的应力集中十分明显。图8 蜂窝梁蜂窝孔拐角处的应力集中从图8的云图上可以看出，强度应力值和PK

10、PM的计算结果相当，当时正六边形拐角处却的应力集中峰值在250N/mm2左右，即出现了比计算强度应力值高80N/mm2左右的集中应力，可以看出集中应力现象在蜂窝梁中比较突出，这个在蜂窝梁极限承载的工况下容易屈服后进入塑性流动区间，产生除梁受压区外的局部失稳。因此，为了便于工程设计中安全可靠地选取常用热轧H型截面，本文定义一个角点应力放大系数n来度量此应力集中程度。与H446梁的分析一样，再次运用ANSYS 程序对宽度均为L=7392mm的H300，H396，H496，H582和H596断面的热轧H型钢制作的扩张比为1:1.5的蜂窝梁断面进行应力计算，将角点应力调整到规范的设计值310N/mm2

11、，得到其应力集中和扩张比的变化关系。杆件的最大计算弯曲应力m=170N/mm2, 角点处的应力集中值为c=250N/mm2，则应力放大系数n=c/m=250/170=1.47，由于应力集中值大小通过有限元计算容易获得而不易在工程设计中直接算得，因此根据钢结构设计规范的限值，显然设计需要满足n*mfy。图9为PKPM计算的扩张比分别从1.3到1.7的H300，H396，H446和H596分别在10KN,15KN,20KN和30KN的荷载工况下的最大弯曲应力值。图9 不同截面样及荷载样本的蜂窝梁的纯弯曲应力值大小图10为ANSYS分别计算的扩张比从1.3到1.7的H300，H396，H446和H5

12、96分别在10KN,15KN,20KN和30KN的荷载工况下的集中应力值。图10 不同梁截面样本在不同荷载样本下的应力集中值大小图11为相应工况下的应力集中系数。图11 不同截面样本在不同荷载下的应力放大系数显然，由ANSYS计算的应力集中值c均比弯曲应力值m要大，但c/m的比值主要集中在1.3至1.5左右，和荷载与截面关系不大，主要是扩张比引起的扩孔大小有关，因此，本文建议在验算蜂窝梁强度时出于应力集中的考虑，安全系数n=1.5较为适合，即对蜂窝刚性梁，在设计时需满足下式（其中fy为相应钢号的强度设计值）：1.5*mfy结论：刚性梁是围绕并悬挂在锅炉炉壁外周的结构系统。它的作用是增强炉膛和尾

13、部烟道的刚性，保护管屏在炉膛设计瞬态压力作用下不发生永久变形。在传统的刚性梁设计中，主要是根据荷载水平来选择热轧H型钢与焊接H型钢断面。蜂窝梁是一种优秀的空腹梁结构，介于桁架梁与实腹梁之间，且便于切割加工，但由于在国内的钢结构规范中还缺少对蜂窝等空腹梁结构的界定；因此，本文运用PKPM与ANSYS程序对300MWCFB机组常用H型钢制作的蜂窝梁进行了常用设计指标的计算分析，充分发挥PKPM在杆件结构中的计算优势以及ANSYS程序在细部结构计算中的优势，两者的计算结论表面蜂窝梁的抗弯能力较相同当量的H型钢有显著提高，但PKPM的计算书揭示了蜂窝梁的腹板高厚比超过了普钢规范关于局部稳定性的限值，因

14、此在实际使用中可以在其受压区采用短构造筋板的措施，ANSYS的计算结论揭示了以往研究成果中蜂窝梁正六边形孔角点处存在明显的应力集中现象，最后通过对不同截面的H型钢梁和不同扩张比制作的蜂窝梁在不同荷载工况下的多个样本的弯曲应力，集中应力的计算分析，确定了常用热轧H型蜂窝梁断面的应力集中放大系数的选取。在缺少规范的前提下为机组设计蜂窝状刚性梁的设计提供安全可靠的参考指标。参考文献1 王洪范, 王立新. 蜂窝梁的应用和计算方法 J. 工业建筑, 1994 , 24( 8): 3- 4 .2 罗烈,罗晓霖. 蜂窝梁设计规范的比较研究 J. 建筑钢结构进展, 2005 , 7( 2): 43- 47 .

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